雷 雪 李小龍 王曉芳

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200240)

SA508-3鋼低溫韌性不合格原因分析及工藝改進

雷 雪 李小龍 王曉芳

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200240)

分別從化學成分、熱處理工況和金相組織等方面對不合格產(chǎn)品與合格產(chǎn)品進行了對比分析，結(jié)果表明，低溫韌性不合格的主要原因是金相組織中存在較多的碳化物堆積。通過熱處理工藝試驗發(fā)現(xiàn)，冷卻速度慢會導致碳化物堆積數(shù)量增加。在冷速有限的情況下，通過延長回火低溫等溫時間可以有效改善碳化物堆積狀況，提升鍛件低溫韌性。

低溫韌性；碳化物堆積；回火

SA508-3鋼被廣泛應用于核電主設(shè)備鍛件的制造，由于核電站使用工況，核電用SA508-3鋼鍛件需要具有良好的低溫韌性[1-3]。某公司生產(chǎn)的SA508-3鋼核電筒體，制造流程為：冶煉→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→緩沖環(huán)焊接→性能熱處理→性能測試。筒體熱處理尺寸為?2 815 mm/?2 490 mm×4 517 mm，性能熱處理結(jié)束后，在鍛件T×T/4處取樣進行性能測試，性能結(jié)果顯示鍛件-21℃單個KV值低至28 J，最小平均值低至30 J，不滿足采購規(guī)范中-21℃單個KV值最低不小于41 J，平均值≥48 J的要求。

該規(guī)格筒體屬公司成熟產(chǎn)品，以往產(chǎn)品-21℃KV值穩(wěn)定且富裕量很大，單個沖擊值均在120 J以上。此次筒體低溫沖擊數(shù)據(jù)較以往差別巨大，為分析筒體低溫韌性不合格的原因，分別從成分、熱處理工況和金相等方面對不合格筒體和合格筒體進行了對比分析。

1 對比分析

1.1 化學成分

對不合格筒體和合格筒體進行了成品化學成分對比分析，主要元素含量見表1。

從表1可見，不合格產(chǎn)品的化學成分滿足采購規(guī)范規(guī)定值，成分與以往合格產(chǎn)品無明顯差異。由此分析，化學成分不是導致產(chǎn)品低溫韌性不合格的主要原因。

1.2 熱處理工況

為查找和分析鍛件低溫韌性出現(xiàn)異常的原因，分別從熱處理工藝、使用設(shè)備、淬火環(huán)境因素和淬火轉(zhuǎn)移時間等方面對不合格筒體與合格筒體進行對比檢查，對比檢查結(jié)果見表2。

從表2可見，合格筒體與不合格筒體在熱處理工藝、淬火環(huán)境因素和淬火轉(zhuǎn)移時間三方面無明顯差異。在設(shè)備使用方面，合格筒體與不合格筒體均采用環(huán)型電阻爐進行加熱，淬火水冷時采用不同的水槽進行冷卻；合格筒體淬火時選用?8 m環(huán)型水槽，不合格筒體選用?11 m的環(huán)型水槽，兩水槽設(shè)計結(jié)構(gòu)不一樣，?8 m水槽水流速度較?11 m水槽快。

設(shè)備選用差異顯示兩者實際淬火冷卻速度存在差別，與合格筒體相比，不合格筒體的淬火冷卻速度較慢。對比分析顯示，冷速差異可能是導致筒體低溫韌性不合格的主要原因。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The chemical compositions (mass fraction, %)

表2 熱處理工況對比Table 2 The comparison of heat treatment conditions

(a)不合格產(chǎn)品500×(b)不合格產(chǎn)品5000×(SEM)(c)合格產(chǎn)品500×(d)合格產(chǎn)品5000×(SEM)

圖1 不合格產(chǎn)品與合格產(chǎn)品的顯微組織對比
Figure 1 The comparison of microstructures between unqualified and qualified products

1.3 金相分析

圖1為不合格筒體與合格件筒體的金相組織圖片。

從圖1可見，合格筒體與不合格筒體的金相組織均為貝氏體回火組織，但在貝氏體形貌和碳化物分布上兩者均存在一定的差異。合格筒體組織主要為下貝氏體和較細的上貝氏體的混合組織，上貝氏體中的貝氏體鐵素體板條細小，細小的碳化物均勻分布其中。不合格筒體組織主要以上貝氏體為主，局部有少量下貝氏體，上貝氏體中的貝氏體鐵素體條較為粗大，組織中存在較多的“黑點”，且“黑點”多存在于晶界和貝氏體鐵素體板條間。經(jīng)進一步掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，“黑點”處為聚集的碳化物。

貝氏體形成溫度越高，貝氏體鐵素體板條越粗大[4-5]。不合格筒體中上貝氏體的形成溫度高，其在淬火時，冷速較慢，形成了較多未分解的殘余奧氏體，未分解的殘余奧氏體中碳濃度較高，回火分解之后獲得較多堆積碳化物，即圖中“黑點”。聚集的碳化物在外力作用下，易應力集中形成裂紋源，從而影響鍛件低溫韌性[6]。

1.4 分析小結(jié)

通過對比分析，初步認為導致筒體低溫韌性不合格的主要原因是淬火時冷卻速度較慢，產(chǎn)生較多殘余奧氏體，殘余奧氏體在隨后的回火高溫階段發(fā)生分解形成堆積碳化物，聚集的碳化物在外力作用下，易應力集中形成裂紋源，從而影響鍛件低溫韌性。

2 熱處理工藝試驗

根據(jù)上文分析可知，不合格筒體金相組織中的“黑點”增多是導致低溫韌性不合格的主要原因，“黑點”是淬火冷卻后殘留的殘余奧氏體在回火高溫階段分解形成的堆積碳化物。根據(jù)黑點形成原理，可通過兩種方式減少“黑點”數(shù)量：通過提高淬火冷卻速度減少淬火階段產(chǎn)生的殘余奧氏體，從而減少最終組織中“黑點”的數(shù)量；或者通過在低溫階段讓殘余奧氏體分解，避免殘余奧氏體在高溫階段直接分解成堆積的碳化物。

根據(jù)兩種方式，設(shè)計了兩種熱處理工藝試驗，以觀察對鍛件低溫韌性的影響。

2.1 淬火冷速試驗

試驗用料為低溫韌性不合格筒體的殘余試料，淬火溫度為890℃，回火溫度為640℃，淬火冷卻速度分別為爐冷、20℃/min、45℃/min、60℃/min。

表3中列出了不同淬火冷速下鍛件的-21℃KV值。從表3可見，隨冷速的增加，鍛件低溫沖擊值增加，但增加幅度較小。與以往合格筒體相比，鍛件冷速提升后的低溫沖擊值仍有較大差別。

圖2為各不同淬火冷速下試樣的金相組織照片。由圖2可見，爐冷時，組織中出現(xiàn)數(shù)量較多的塊狀鐵素體；冷速增加至20℃/min時，塊狀鐵素體基本消失，出現(xiàn)較為粗大的上貝氏體回火組織，上貝氏體鐵素體條較寬，組織中“黑點”較多；冷速進一步增加到45℃/min時，上貝氏體鐵素體條變窄，組織中“黑點”較冷速20℃/min有所減少；冷速增至60℃/min時，組織與45℃/min無太大差別?？梢姡S著冷速的降低，組織中“黑點”數(shù)量增加，表明“黑點”的產(chǎn)生確由冷速過慢導致。

表3 不同冷卻速度下的低溫韌性Table 3 Low temperature toughness at different cooling rates

上述試驗數(shù)據(jù)和金相分析表明，隨淬火冷速的提高，“黑點”數(shù)量減少，鍛件的低溫韌性略有提升，但提升作用有限。

2.2 回火等溫試驗

試驗用料為低溫韌性不合格筒體的殘余試料，淬火溫度為890℃，淬火冷卻速度為20℃/min，回火溫度為640℃，回火升溫時分別采用無等溫階段、等溫2 h、等溫4 h、等溫8 h四種方式升至回火保溫溫度。

表4列出了不同回火低溫等溫時間下的鍛件低溫沖擊值。結(jié)果顯示，回火時增加低溫等溫階段，可有效提升鍛件低溫沖擊值。

(a)爐冷(b)20℃/min(c)45℃/min(d)60℃/min

圖2 不同冷速下的金相組織(500×)
Figure 2 Microstructures at different cooling rates(500×)

為進一步了解延長回火低溫等溫時間鍛件低溫沖擊值提升的具體原因，對試料沖擊殘樣進行了金相顯微觀察。圖3為各不同工藝試樣的金相組織照片。光學金相組織顯示，隨著等溫時間的延長，組織中的“黑點”數(shù)量逐漸減少，試樣在250

表4 不同等溫時間下的低溫韌性Table 4 Low temperature toughness under different holding time

(a)無等溫500×(b)無等溫5000×(SEM)(c)250～400℃間等溫2h500×(d)250～400℃間等溫2h5000×(SEM)(e)250～400℃間等溫4h500×(f)250～400℃間等溫4h5000×(SEM)(g)250～400℃間等溫8h500×(h)250～400℃間等溫8h5000×(SEM)

圖3 不同回火低溫等溫時間的金相組織
Figure 3 Microstructures under different holding time at low temperature during tempering～400℃間等溫8 h后，組織中基本無明顯的“黑點”。進一步在掃描電鏡下觀察，增加等溫階段后，碳化物的偏聚現(xiàn)象明顯改善，碳化物在基體中的分布更彌散。

3 生產(chǎn)驗證

根據(jù)試驗和分析結(jié)果制定了不合格筒體的重新熱處理工藝。重新熱處理選用890℃作為淬火溫度，水槽選用水流更快的?8 m水槽，回火時250～400℃低溫保溫4 h后升至640℃保溫。

表5列出了鍛件重熱前和重熱后的低溫沖擊值。由表可見，重熱后，鍛件低溫韌性得到顯著提升，工藝得到實際生產(chǎn)驗證。

表5 鍛件產(chǎn)品低溫沖擊值Table 5 Low temperature impact values of forging products

4 結(jié)論

(1)冷卻速度對SA508-3低溫沖擊值影響較大。冷速較慢，淬火冷卻結(jié)束后易形成較多富碳的殘余奧氏體，這些殘余奧氏體在隨后的回火高溫階段分解形成集中分布的碳化物，碳化物的偏聚對低溫韌性不利。

(2)通過在回火時增加或延長250～400℃低溫等溫時間，可促進淬火冷卻后的殘余奧氏體在低溫段發(fā)生分解，避免其在高溫階段發(fā)生分解形成堆積碳化物，有效改善碳化物的偏聚分布，大幅提升鍛件低溫韌性。

[1] 王西濤,李時磊.核電用鋼的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè),2014(7):2-8.

[2] 劉文斌,李書瑞.我國核電承壓設(shè)備用鋼的發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向[J].鋼鐵研究,2011,39(5):58-62.

[3] 李宏明,馬巧紅.核電及核電用鋼的發(fā)展[J].世界鋼鐵,2007.

[4] 韓利戰(zhàn) 顧劍鋒 潘健生，等.核電大型鍛件SA508 Gr.3鋼金相圖譜[M].上海：上海交通大學出版社，2016.

[5] 遲露鑫,麻永林,邢淑清,等.核電SA508-3鋼在不同冷速下的顯微組織[J].內(nèi)蒙古科技大學學報,2010,29(2):2-8.

[6] 李傳維,韓立戰(zhàn),劉慶冬,等.回火時間對核電壓力容器用鋼的組織及性能的影響[C]//寶鋼學術(shù)年會，2015.

編輯 杜青泉

Cause Analysis on the Unqualification of Low Temperature Toughness of SA508-3 Steel and Process Improvement

Lei Xue, Li Xiaolong, Wang Xiaofang

The comparative analysis on unqualified and qualified products has been performed from the aspects of chemical composition, heat treatment condition and metallographic structure. The results show that the main reason for the unqualification of low temperature toughness is that there is more carbide accumulation in the metallographic structure. The heat treatment process test has been taken to find that the slow cooling rate can increase the amount of carbide accumulation. In the case of limited cooling speed, the states of carbide accumulation can be effectively improved by prolonging the isothermal time at low temperature, and the low temperature toughness of the forgings can be raised.

low temperature toughness; carbides accumulation; tempering

2016—08—01

雷雪(1985—)，碩士，工程師，從事火電及核電鍛件材料及熱處理工藝研究。

TG156

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